基于TCP/IP协议多通道双向端口状态互传设备

摘  要：文章提出了多通道双向端口状态互传设备总体设计思路，叙述了多通道双向端口状态互传设备系统硬件、软件设计，提出了由32位单片机为主控，以太网控制器为通讯单元，POE有源器件控制器为设备电源模块。提出了由TCP/IP协议传输代替传统模式传输端口状态信号的方法，并对方法进行了论证。给出了该设备在现场中实际使用方法，在弱电系统工程中具有实际使用意义。

关键词：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP协议

Abstract：The overall design idea of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment is presented. The hardware and software design of the multi-channel bidirectional port status mutual transmission equipment system is described. It is proposed that the 32-bit microcontroller is the main control，and the Ethernet controller is the communication unit. The POE（Power Over Ethernet）active device controller is a device power module. The method of replacing the traditional mode transmission port status signal by TCP/IP protocol transmission is proposed，and the method is demonstrated. The actual use method of the equipment in the field is given，which has practical significance in weak current system engineering.

Keywords：STM32F103C8T6;W5500;POE;TPS23753PW;CH340G;TCP/IP protocol

0  引  言

在弱电系统工程中，需要传输各种功能的开关状态信号，如安防系统中的红外探测信号，门禁系统中的门磁、开门信号。这种开关状态信号传统的传输方式有两种：单向传输需要每个点拉一条铜质双绞线;双向传输则需要两条铜质双绞线。传统的传输方式存在一些缺点。当信号点数较多时，需要耗费大量铜线，环保性低，布线困难;如果距离远，则容易受到干扰信号的干扰;对于一些旧的系统工程，增加信号点时，需要重新施工布线;若当检测的前端信号点与接收点被马路隔开或者处于不同楼栋，布线施工更加困难。

为了解决传统开关状态信号传输方式的缺点，需要一种新型的更有效率的端口状态信号传输方式。广州市康讯动力科技有限公司研发部开发的基于TCP/IP协议多通道双向端口状态互传设备，可以有效地解决上述所提出的缺点。

1  总体方案设计的分析

设备采用基于传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP协议）方式。TCP/IP协议，能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。它有以下特点：协议标准完全开放，可供用户免费使用，且独立于特定的计算机硬件与操作系统;独立于网络硬件系统，可以运行于广域网，更适合于互联网;网络地址统一分配，网络中每一设备和终端都具有一个唯一地址;高层协议标准化，可以提供多种多样可靠网络服务。

本设备基于TCP/IP协议的传输方式进行开发，优点如下：

（1）现在的商住大厦、医护大楼、住宅小区等建筑物大部分都现实了综合布线系统，基于TCP/IP协议传输方式的设备联网非常方便。

（2）现在市面上无线路由器、交换机价格低廉，可以利用无线路由器、交换机实现Wi-Fi信号传输，特别适合两栋跨距离不能布线的大楼之间的信号传输。

本设计为双向4通道开关状态信号传输，分前端、后端两台配对设备配合使用，前端将本机4通道状态信号采集，再发送给后端，后端也将本机4通道状态信号采集，再发送给前端，两台配对设备使用TCP/IP协议传输方式，进行双向信号传输。

采用有源以太网（Power Over Ethernet，POE）供电方式，无须额外提供电源。POE指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下，在为一些基于IP的终端（如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等）传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术。系统结构设计如图1所示。

前端、后端设备的硬件电路完全相同。前端设备的输入IN1～IN4端口状态，通过RJ45网络接口，经过W5500以太网控制器处理，数据送到后端STM32F103C8T6微控制器译码，将前端输入IN1～IN4端口狀态在后端输出端口OUT1～OUT4对应显示。而后端输入的IN1～IN4端口状态，也通过STM32F103C8T6微控制器采集、编码，W5500以太网控制器处理，通过网络接口，发送到前端设备。

设备电源部分，POE交换机输出的直流电源，通过RJ45网络接口，进入POE电源转换器，转换成设备需要的5.0 V，3.3 V电源电压。

2  系统设计分析

2.1  硬件设计

MCU（微控制器），采用STM32F103C8T6系列32位ARM微控制器做主控，用集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器W5500做网络通信处理，电源转换器使用德州仪器（TI）遵循IEEE 802.3af协议标准的POE有源器件控制器TPS23753PW芯片。

2.1.1  主控电路

STM32F1xx系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex- M3。按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16 kB和32 kB）、中容量（64 kB和128 kB）、大容量（256 kB、384 kB和512 kB）。芯片集成定时器（Timer），支持USB- CAN/ADC/I2C/SPI/UART等多种外设功能。时钟频率达到72 MHz，为同类产品中性能最高。功耗36 mA，是32位市场上功耗最低的产品。内部包含大容量只读程序存储器，配上丰富的引脚结构并具有在线系统编程（ISP）功能，丰富的、高性能的配置，将会为程序的存储、调试带来极大的便利，故选用STM32F103C8T6为该系统的主控制电路。系统的主控制电路如图2所示。

STM32F103C8T6微控制器编程下载以及在线调试，使用USB接口与电脑连接。电路原理参看图2中U7（USB接口芯片CH340G）部分。U4为4路输入信号隔离光耦TLP281-4;U5为外存储器芯片ST24C02M1;U6为输出继电器驱动芯片ULN2003AD。

2.1.2  以太网控制器

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层（MAC）及物理层（PHY），使得用户使用单芯片就能够在他们的应用中拓展网络连接。

W5500提供了串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI），从而更容易与外设微控制器（MCU）整合。W5500的全硬件TCP/IP协议栈芯片将会降低MCU对于庞大网络数据的负荷，使MCU可以高效的处理其他业务逻辑。同时也避免了MCU主程序受到网络攻击的危险，大大优化了MCU的网络连接功能。以太网控制部分原理图如图3所示，其中UP2为以太网网络变压器，作用为网络与设备之间电气隔离及分离POE电压。

2.1.3  设备电源

近年来，POE供电技术的发展势头越来越强劲。凭借简化用电设备的安装和部署、节能、安全等一系列优势，POE供电成为无线覆盖、安防监控以及智能电网等场景的新宠。POE技术能在确保现有结构化布线安全的同时保证现有网络的正常运作，最大限度地降低成本。

一个完整的POE系统包括供电端设备（Power Sourcing Equipment，PSE）和受电端设备（Powered Device，PD）两部分。本设备的电源属于PD，PD的核心部分为电源管理芯片，采用TI的芯片TPS23753APW，该芯片技术成熟，性能稳定。

为了使用方便，减少重复PCB设计，将电源部分设计成一个独立的模块。POE电源模块原理图如图4所示，图中的TR1为高频电压变换器，输出电压为5.0 V，电流为2.5 A;U4为三端可调分流基准电压源。

经过反复调试，优化PCB电路板设计，最终电源模块如图5所示。

2.1.4  端口状态采集及输出

端口状态的输入为各种的干接点信号，为了提高抗干扰能力，采用光耦隔离输入，有效地减少了对控制单元的干扰。经过光耦隔离的信号，直接输入到主控电路STM32 F103C8T6微控制器，经主控电路编码，由以太网控制器通过TCP/IP协议发送给配对设备。

输出的端口状态来源于配对的设备，主控电路对经过网络传输来的配对设备的数据译码，将状态显示于输出端口。输出端口后续的其他使用接口设备分干接点和湿接点方式，采用继电器方式输出，起到完全电气隔离，可以满足其他接口设备干/湿接点的要求。

2.1.5  看门狗电路

在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成各种寄存器和内存的数据混乱，会导致程序指针错误，不在程序区，取出错误的程序指令等，都有可能会陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续正常工作，导致整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果。为了防止程序“死机”或进入死循环，增加看门狗电路是非常必要的。STM32F103C8T6有两种看门狗设置方式，一个是独立看门狗，另外一个是窗口看门狗。本设计采用独立看门狗方式对系统进行监控。

2.2  软件程序设计

W5500以太网控制器已经集成了TCP/IP协议栈，不需要对其编程，只需要对MCU编写程序。

设备启动，MCU给W5500加载网络参数，W5500完成初始化后，等待网络数据，收到配对设备传来的网络数据时，请求MCU接收数据，MCU发出许可指令后，W5500把数据发给MCU，MCU数据解码，将配对设备的端口输入状态显示到本机的对应输出端口。MCU再采集自己输入端口状态，把数据编码，送W5500，由W5500通过网络发送到配对的设备。

3  设备调试及试运行测試

3.1  设备调试

使用C语言Keil平台进行编程，再将程序写到MCU。程序的调试及设备的设置，使用通用的TCP/IP调试工具。经调试及设置参数后，前/后端正常工作运行的状态如图6所示。

图6左边电路板为前端，右边电路板为后端。前端输入端IN1、IN2通过导线短接，后端输出OUT1、OUT2继电器闭合，指示灯点亮;后端输入端IN3、IN4通过导线短接，前端输出OUT3、OUT4继电器闭合，指示灯点亮。

3.2  试运行测试

本公司有一个无人值守的仓库位于公司办公室对面的楼栋，楼栋之间相隔了一条马路。仓库安装了声光警报器及红外探测器、门磁等传感器，需要接入到位于办公室的安防控制主机，因相隔一条马路，布线施工困难。使用本设计的前/后端设备可以解决布线施工困难问题，具体实现如图7端口状态信号传输所示。

如图7所示，位于仓库的前端设备对三个红外探测器及一个门磁的信号进行采集，通过无线路由器传输给办公室的后端设备，进入安防控制主机。当仓库探测器有报警状态信号发出，安防主机发出警报信号，输入到后端通道IN1，经无线路由器发送到仓库前端，前端設备驱动声光报警器发光、发声。

4  结  论

本文对基于TCP/IP协议多通道双向端口状态互传设备进行了分析，利用TCP/IP协议进行端口状态信号传输，采用POE网络供电方式。按传统的端口状态信号传输方式，至少要在仓库与办公室之间布5条屏蔽双绞线，还要开挖马路，但使用TCP/IP协议传输方式，只需要增加两只普通的无线路由器，减少了施工难度，降低了成本，适用于需要传输端口状态信号的各种弱电系统工程。

参考文献：

[1] ST.STM32F103C8 [EB/OL].（2015-08-21）.https：//www.st.com/content/st_com/zh/products/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32-mainstream-mcus/stm32f1-series/stm32f103/stm32f103c8.html.

[2] WIZnet.W5500数据手册 Ver.1.0.9 [EB/OL].（2019-05-22）.https：//www.iwiznet.cn/products/network-chip/w5500/.

[3] 王小波，梁春苗.POE供电技术在救援系统中的应用 [J].电子测试，2014（13）：22-24.

[4] WCH沁恒.USB转串口芯片：CH340 [EB/OL].（2016-08-04）.http：//www.wch.cn/products/CH340.html？from= list.

作者简介：刘木泉（1968—），男，汉族，广东肇庆人，研发部工程师，研究方向：电子电源、自动化控制。